建筑施工技术教学课件-第四章 预应力混凝土结构工程

第四章预应力混凝土工程第一节概述一、什么是预应力？预应力砼构件的种类有哪些？普通钢筋混凝土的抗拉极限应变只有0.0001～0.0015，在正常使用条件下受拉区混凝土开裂，构件的刚度小、挠度大。要使混凝土不开裂，受拉钢筋的应力只能达到30Mpa；对允许出现裂缝的构件，当裂缝宽度限制在0.2～0.3mm时，受拉钢筋的应力也只能达到200Mpa左右。为了克服普通钢筋混凝土过早出现裂缝和钢筋不能充分发挥其作用这一矛盾，人们创造了对混凝土施加预应力的方法。即在结构或构件受拉区域，通过对钢筋进行张拉后将钢筋的回弹力施加给混凝土，使混凝土受到一个预压应力，产生一定的压缩变形。当该构件受力后，受拉区混凝土的拉伸变形，首先与压缩变形抵消，然后随着外力的增加，混凝土才逐渐被拉伸，明显推迟了裂缝出现时间。预应力混凝土的优点：能提高钢筋混凝土构件的刚度、抗裂性和耐久性，可有效地利用高强度钢筋和高强度等级的混凝土。与普通混凝土相比，在同样条件下具有截面小、自重轻、质量好、材料省（要节约钢材20％～40％），并能扩大预制装配化程度。1、混凝土发展过程：素混凝土→钢筋混凝土→预应力混凝土2、预应力的优点：①截面小，重量轻，刚度大；②抗裂性、耐久性好；③节约钢材；④在较大跨度结构中，综合经济效益好。3、预应力筋的种类①冷拔低碳钢丝，直径：3～5ｍｍ；②冷拉钢筋；③碳素钢丝，直径：3～8ｍｍ；④钢绞线，由6根碳素钢丝缠绕而成；⑤热处理钢筋，直径：6～10ｍｍ；⑥精轧螺纹钢筋，直径：25～32ｍｍ。4、对混凝土的要求混凝土强度等级一般不低于C30；当采用碳素钢丝、钢绞线、V级钢筋（热处理）作预应力时，混凝土强度等级不宜低于C40。第二节先张法（一）、先张法施工设备一）台座组成：台面、横梁、承力结构。分为：墩式台座、槽式台座、桩式台座等。1、墩式台座：以混凝土墩作为承力结构的台座称为墩式台座。一般用于生产中小型构件。（1）墩式台座分类：简易墩式台座；重力墩式台座；构架式台座；计算简图：（2）墩式台座计算要点：1'KMMM－抗倾覆力矩M＝G1l1+G2l2M，－倾覆力矩M，－TｅＫ1－抗倾覆系数①稳定性验算：（抗倾覆、抗滑移的能力）A、抗倾覆验算：B、抗滑移验算：2KPTT－抗滑移能力。T＝N，＋FＦ＝u(G1+G2)摩擦力N，－台面抵抗力P－张拉力合力②强度验算：支承横梁的牛腿，按柱子的牛腿计算配筋；墩式台座与台面接触的外伸部分，按偏心受压构件计算；台面按轴心受压构件计算；横梁按承受均布荷载的简支梁计算。2、槽式台座用于张拉力和倾覆力矩较大的构件生产。二）张拉机具和夹具1、钢丝的夹具和张拉机具（1）钢丝夹具①锚固夹具：锥形、楔形。②张拉夹具：偏心式、钳式、楔形。③墩头锚具：采用冷墩形成。（2）张拉机具①要求：简易可靠，准确控制钢丝的拉力，稳速增大拉力。②种类：A、卷扬机张拉：弹簧测力、杠杆测力。B、电动螺杆张拉机张拉：构造简单，体积小，重量轻，操作灵活，移动方便。2、钢筋的夹具和张拉机具（1）钢筋夹具①锚固夹具：工具式螺杆－螺丝端杆锚具；穿心式夹具－自锚；墩头锚固：d12mm冷墩d22mm热墩d22mm加热锻打②张拉夹具：压销式、穿心式。（2）钢筋张拉机具油压千斤顶、拉伸机、穿心式千斤顶、电动螺杆张拉机。螺丝端杆锚具：（二）先张法施工工艺工艺流程图：一）张拉1、张拉控制应力和超张拉最大应力①张拉控制应力（规范规定）冷拉钢筋0.9fPYK冷拔低碳钢丝0.70fPUK碳素刻痕钢丝、钢绞线0.75fPUK②超张拉最大应力冷拉钢筋0.95fPYK其它0.75fPUK2、张拉程序（1）超张拉法：01.0501.03concon持荷2分钟con（2）一次张拉法0con3、张拉顺序（1）多根同时张拉；（2）单根张拉。二）混凝土的浇筑与养护1、浇筑要求：①同一生产线的构件应一次浇筑完毕；②构件应避开温度缝；③振捣时不应碰撞钢丝；④叠层生产时，下层混凝土强度达5MPa，方可浇筑上层构件；⑤混凝土的水灰比应严格控制，振捣应密实。2、养护：①自然养护；②湿热养护。三）预应力筋放张1、放张要求①混凝土强度应大于75％C设；（重叠生产指最上层构件）②放张过程中，应使预应力构件自由伸缩，避免过大的冲击与偏心。同时还应使台座承受的倾覆力矩及偏心力减小；③保证预应力筋与混凝土之间的粘结。2、放张方法①钢丝：数量少，逐根放张；数量多，同时放张。②粗钢筋：数量少，逐根加热熔断；数量多，同时放张。3、放张顺序①轴心受压构件：同时放张。②偏心构件：先同时放张预应力较小区域内的预应力筋；再同时放张预应力较大区域内的预应力筋。③如不能满足上述要求，应分阶段、对称、相互交错进行放张。注意：放张时，应拆除侧模。第三节后张法施工1、定义：制备留有孔道的混凝土构件，混凝土达到设计规定强度后，穿筋并用张拉机具张拉钢筋至设计规定应力值，借助锚具把预应力筋锚固在构件端部，最后，孔道灌浆，这种预加应力的方法称为后张法。2、特点：①混凝土的弹性压缩对预应力值的建立无直接影响；②锚具不能重复使用，成本高；③工艺比较复杂（构件制作、留孔、穿筋、张拉、灌浆）；④可拼装预制构件（现场拼装）。3、适用范围现场制作大型构件，避免大型构件运输的麻烦。4、生产过程（1）构件生产阶段；（2）预加应力阶段（包括锚具、预应力筋制作、张拉、灌浆等）对锚具的要求：①尺寸准确；②不致产生预应力筋的滑移；③有足够刚度和强度。（一）锚具和预应力筋的制作常见预应力筋类型：①单根钢筋，直径大于12毫米；②钢筋束与钢绞线束；③钢丝束。1、锚具张拉端：螺丝端杆锚具。固定端：帮条锚具或墩头锚具。（1）螺丝端杆锚具组成：螺丝端杆、螺母、垫板。（2）帮条锚具组成：帮条、衬板。（3）镦头锚具直接在钢筋端部用热镦、冷镦、锻打成型。（4）Ⅳ级精轧螺旋钢筋直径有25和32两种。一）单根预应力筋的锚具及制作2、预应力筋的制作（1）制作：包括配料、对焊、冷拉等工序。（2）下料长度计算①锚具特点：螺丝端杆外露在孔道外的长度为120～150mm，帮条、镦头视锚具尺寸而定。②对焊接头：每个对焊接头的压缩量约等于钢筋直径。③钢筋冷拉率：实际测定作为下料依据。④弹性回缩率：冷拉后的回缩值与冷拉完成时的长度的比值，一般为0.3％左右。1〉两端用螺丝端杆锚具时预应力筋的成品长度L1（冷拉后的全长）为：预应力筋中钢筋冷拉完成后的长度为L0：预应力筋中的钢筋冷拉前的下料长度L为：212llL1102lLL001nlLL式中：l－构件的孔道长度。2l－螺丝端杆伸出构件外的长度。1l－螺丝端杆的长度，一般为320mm。－预应力筋的冷拉率。－预应力筋的冷拉弹性回缩率。n－对焊接头数量。0l－每个对焊接头的压缩量。2〉一端用螺丝端杆，另一端用帮条锚具时预应力筋的成品长度：321lllL预应力筋中的钢筋冷拉完成后的长度：110lLL预应力筋中的钢筋下料长度：001nlLL3l式中：－帮条或镦头锚具长度（包括垫板厚度）二）钢筋束、钢绞线束预应力筋的锚具及制作钢筋束采用：12，3～6根钢绞线束采用：3～6根751、锚具（1)JM12型锚具楔块原理可锚具多根预应力筋既可作张拉端锚具，又可作固定端锚具。JM12型锚具构造：（2）KT－Z型锚具（可锻铸铁锥形锚具）用于螺纹钢筋束和钢绞线束。（3）XM型锚具可锚固：钢绞线束钢丝束单根预应力筋多根预应力筋2、预应力筋制作（1）制作工序：开盘－－下料－－编束（2）下料长度计算（与张拉设备和选用的锚具有关）三）钢丝束预应力筋的锚具及制作1、锚具（1）钢质锥形锚具适用于6、12、18、24根直径5mm碳素钢丝（2）钢丝束镦头锚具用于锚具12～54根直径5mm碳素钢丝的钢丝束。（3）锥形螺杆锚具适用于14、16、20、24、28根直径5mm的钢筋束。2、钢丝束的制作（1）制作程序：调直－－下料－－编束－－安装锚具（2）下料长度计算：①用钢质锥形锚具锚固的钢丝束，下料长度计算同钢筋束。②用镦头锚具锚固的钢丝束，下料长度与A型、B型锚具以及一端张拉或两端张拉有关。③用锥形螺杆锚固的钢丝束，应在非应力状态下料。（二）后张法施工工艺一）孔道留设1、要求（1）孔道尺寸、位置应正确，孔道要平顺；（2）端部的预埋钢板应垂直于孔道中心线；（3）孔道直径取决于预应力筋和锚具、保证预应力筋穿入。2、施工方法（1）钢管抽芯法－－－适宜于留设直线孔道①方法：在需留设孔道处预埋钢管，在混凝土浇筑、养护中定期慢转钢管，以防粘结，待混凝土初凝后，终凝前抽出钢管，形成孔道。②施工时应注意的问题•钢管应平直，光滑，埋前应出锈，刷油，位置正确；•每根长度小于15米，以便于旋转、抽管；•恰当掌握抽管时间早：坍孔；晚：抽管难，抽不出来。一般在初凝后终凝前，手指按压混凝土不粘浆又无明显印痕时，则可抽管。常温下，一般3～6小时即可抽管。•抽管顺序和方法先上后下，边抽边转，速度均匀，与孔道保持在同一直线。（2）胶管抽芯法－－适宜于留设直线孔道、曲线孔道、折线孔道等①方法：在孔道留设处，安放胶管（内充气或水、钢丝网胶管），浇筑混凝土，养护，初凝后，通过放气（水）或直接拉，形成孔道。②施工时应注意的问题：•长度20～30米以内整根管，一端抽出。较长时在中间接长，接头处应防漏气、漏水。•抽管顺序：先上后下，先曲后直。（3）预埋波纹管法－－适宜于曲线孔道①方法：波纹管直接埋设在需留设孔道处，不再抽出。②施工时应注意的问题：•使用前应作灌水试验，检查有无渗漏；•连接用大一号波纹管（接长时）；•固定：用钢筋卡子，并用铁丝绑牢；•避免反复弯曲。高架桥预应力混凝土梁拆除场景二）预应力筋的张拉核心问题－－预应力筋的应力控制1、张拉控制应力和超张拉最大应力（1）张拉控制应力预应力钢材品种先张法后张法碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线0.750.70热处理钢筋、冷拔低碳钢丝0.700.65冷拉钢筋0.900.85pukfpukfpukfpukfpykfpykf（2）超张拉最大应力冷拉钢筋（软钢）0.95钢丝、钢绞线、热处理钢筋（硬钢）0.75pykfpukf2、预应力损失①孔道摩擦损失②锚固损失③钢筋应力松弛损失④混凝土收缩徐变损失⑤受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间的温差引起应力损失2l1l4l5l3l各阶段预应力损失值的组合：先张法：43215.0llll后张法：21ll混凝土预压后的损失（第二批）混凝土预压前的损失（第一批）先张法：545.0ll后张法：54ll3、张拉程序根据构件类型、张锚体系、松弛损失取值等因素确定。（1）0105％（持荷2分钟）concon（2）0103％con•超张拉5％目的：主要是减少钢筋松弛、混凝土弹性压缩、锚具变形和孔道摩擦等所引起的应力损失。•超张拉3％目的：主要是弥补设计或施工中不可预见的损失。•持荷2分钟目的：主要是为了加速钢筋松弛的早发展。4、张拉力计算（1）全部筋一次张拉：)1(mANpconM－超张拉百分率（2）同一构件分批张拉设：分两批张拉，则第一批的张拉应力为：cEconcon'式中：con－设计控制应力，即第二批预应力筋的设计控制应力。E－钢筋与混凝土的弹性模量比值。csEEE＝c－第二批预应力筋张拉时，在已张拉预应力筋重心处产生的混凝土法向应力。pAcAnlcon1其中：1l－第一批预应力损失。Ap－预应力筋截面面积（第一批总截面面积）。An－混凝土净截面面积。第一批张拉力：)1(''mANpconcon第二批张拉力：)1(2mANpconcon〖例题〗24m预应力折线形屋架，混凝土强度等级为C40，Ec=3.25*104MPa，下弦净截面面积An=456cm2，下弦配制4根直径25的预应力筋，单根预应力筋截面面积Ap=4.91cm2，钢筋弹性模量Es=1.8*105MPa。MPafpykcon42550085.085.0张拉控制应力：单根预应力筋的张拉力：KNANpconcon209按设计规范计算